Цифровая элементная база интеллектуальных измерительных приборов
Существует четыре основных способа реализации цифровых блоков интеллектуальных измерительных приборов:
с использованием дискретных схем средней и малой степени интеграции;
с помощью программной интерпретации поведения цифровой схемы на микроконтроллере;
на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС);
в форме полузаказного кристалла того или иного типа.
Очевидно, что при окончательной реализации цифрового блока может оказаться целесообразным применение любых комбинаций перечисленных вариантов.
1 Схемы средней и малой степени интеграции
Применение схем средней и малой степени интеграции при разработке цифровых блоков в связи с появлением программируемых логических интегральных схем утратило актуальность. При этом начальные этапы процесса проектирования цифровых устройств не зависят от того на какой технологической базе в дальнейшем будет реализована разработанная схема. В данной главе на функциональном уровне будет кратко представлена цифровая элементная база и процесс разработки, а технология аппаратной реализации проекта будет рассмотрена в рамках главы , посвященной программируемым логическим интегральным схемам.
Любое преобразование цифровой информации в конечном итоге сводится к простейшим логическим операциям над переменными, принимающими значения 0 или 1. Преобразования могут быть реализованы в различных базисах: булевском (на основе операций И, ИЛИ, НЕ), базисе Шеффера (И-НЕ), базисе Пирса (ИЛИ-НЕ). Перечисленные элементарные логические операции выполняются логическими элементами. Функционирование логического элемента обычно задают таблицей истинности. Перечень основных логических элементов и описание их функционирования приведены в таблице .1.
Таблица .1 Основные логические элементы
Логический элемент |
Обозначение |
Таблица истинности |
Описание функции |
И |
|
х1 х2 y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
|
Единица на выходе схемы И будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут 1. Когда хотя бы на одном входе будет 0, на выходе также будет 0. |
ИЛИ |
|
х1 х2 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
|
Ноль на выходе схемы ИЛИ будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут 0. Когда хотя бы на одном входе будет 1, на выходе также будет 1. |
НЕ |
|
х2 y 0 1 1 0
|
Ноль на выходе схемы будет тогда, когда на входе будет 1 и наоборот: единица на выходе будет тогда, когда на входе будет 0. |
И-НЕ |
|
х1 х2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
|
Ноль на выходе схемы И-НЕ будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут 1. Когда хотя бы на одном входе будет 0, на выходе будет 1. |
ИЛИ-НЕ Шеффера |
|
х1 х2 y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
|
Единица на выходе схемы ИЛИ-НЕ будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут 0. Когда хотя бы на одном входе будет 1, на выходе будет 0. |
Исключающее ИЛИ Пирса |
|
х1 х2 y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
|
Ноль на выходе схемы исключающее ИЛИ будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут 1 или на всех входах будут 0. |
На основе логических элементов строятся функциональные узлы.
Функциональные узлы, как и все цифровые устройства, делятся на комбинационные и последовательностные. Подробно принципы построения узлов рассмотрены в [1], в рамках данной главы кратко рассмотрим только часто используемые.